基于NRF905的家庭照明控制系统设计

陈国童，邱兴阳

(1.宁德师范学院 物理与电气工程系，福建 宁德 352100；2.湄洲湾职业技术学院 自动化工程系，福建 莆田 351254)

基于NRF905的家庭照明控制系统设计

陈国童1，邱兴阳2

(1.宁德师范学院 物理与电气工程系，福建 宁德 352100；2.湄洲湾职业技术学院 自动化工程系，福建 莆田 351254)

本系统设计基于NRF905无线模块。在手动模式下，通过无线模块的信号传输来控制照明系统亮度。在自动控制模式下，通过对人体信号以及环境亮度的检测并做出判断，实现对照明系统的智能控制。系统具有节能、高效和环保的作用，有较高的使用价值。

智能照明；自动控制；NRF905；STCIAP15W4K61S4

0 引言

目前，家庭的照明设计系统中存在照明设备损耗和能源浪费的现象。普及家庭智能化照明，不仅为我们的生活带来便利，还能提供一种新的节能方案。本文设计的基于NRF905的智能照明控制系统，可通过NRF905无线模块收发数据来控制PWM信号输出，实现远距离调节照明亮度。使用NRF905具有耗电小、成本低、无需布线和安装、方便简单等特点[1]。另外，系统还能通过传感器的数据测量，自动控制照明系统开关或者自动调节照明亮度，有效降低电能的损耗。因此，智能家庭照明控制系统的应用将会成为新的照明控制趋势。

1 系统结构和工作原理

图1 系统总体框图

系统分上位机与下位机两大部分，上位机包括STC系列单片机IAP15W4K61S4连接NRF905无线模块、电位器与4个按键。4个按键分别是：人体信号使能按键、亮度使能按键、手动使能按键、总开关按键。其优先级别为：总开关>手动使能按键>人体信号使能按键=亮度使能按键。按下总开关、手动使能按键使系统处于手动工作模式，上位机与下位机间采用NRF905无线数据传送模块通信，手动调节上位机的电位器，上位机通过STCIAP15W4K61S4读取电位器电压值，然后通过无线数据传送模块NRF905直接发送给下位机的NRF905，下位机再通过STCIAP15W4K61S4将接收到的数据转换成PMW信号，控制照明设备亮度，从而达到无线控制灯光亮度的目的。下位机采用STC系列单片机IAP15W4K61S4连接NRF905无线模块、D-SUN PIR 人体红外感应模块、光敏电阻。按下总开关、人体信号使能按键或亮度使能按键时系统处于自动工作模式，通过D-SUN PIR 人体红外感应模块中的人体红外传感器对人体信号的检测，自动控制照明设备开与关，通过光敏电阻检测光照亮度，自动调节照明设备亮度。

2 系统的硬件设计

2.1 D-SUN PIR人体红外感应模块

D-SUN PIR人体红外感应模块是基于红外线技术的自动控制产品。具有高灵敏度和很强的可靠性，工作时电压低功耗小，应用较广泛。系统中传感器电路是由PIR人体红外检测探头LHI778与红外传感器处理器BISS0001组成[2]。在红外传感器LHI778检测到人员信息时就会输出一个高电平的电压信息，这个电压信号并不是标准的可被单片机接收的信号，所以我们还需要对这个电压信号进行处理。集成芯片BISSOO01是CMOS数模混合的集成电路，是对热释电红外传感器信号进行处理的处理器。它内部的运算放大器具有很高的输入阻抗，所以可以与很多种的红外传感器匹配[3]。当传感器LHI778检测到人体红外线信号后，从2脚输出极微弱的电信号，经BISSOO01芯片中的运算放大器进行放大，放大后的信号即电压值由BISSOO01电压比较器限幅之后输出高低电平的脉冲信号。单片机根据BISSO001输入的脉冲信号对房间内是否有人进行判断。具体的工作电路如图2所示。

图2 D-SUN PIR 人体红外感应模块电路

2.2 光照采集电路

光照采集电路如图3所示，是由定值电阻与光敏电阻串联组成的分压电路。通过光照采集电路采集光照数据，通过程序做模数转换[4]。光敏电阻采集环境亮度数据，其阻值随环境亮度的变化而变化，而其中间点电压随光敏电阻阻值的变化而变化[5]，当光照减弱时，光敏电阻阻值增大，分压电路中间点电压随之增大，A/D转换结果也增大。该电压再通过程序做A/D转换成数字信号送给STCIAP15W4K61S4单片机识别。

图3 光照采集电路

图4 驱动电路图

2.3 驱动电路

系统控制的LED灯属于电流驱动型器件，因此，使用三极管8550型PNP晶体三极管进行驱动。驱动电路工作过程：单片机输出的PWM信号送给三极管8550的基极，进行电流放大，进而驱动LED灯工作，通过控制PWM信号的占空比改变LED灯的亮度[6]。电阻R起限流作用，保护电路。电路图如图4所示。

2.4 NRF905无线模块

图5 NRF905引脚分布图

NRF905无线模块是单片型射频收发芯片，可工作于多个ISM频段。发射速率50KBPS，外置天线。有很强的抗干扰性能和障碍穿透性能，通讯距离可达300米左右，室内可靠通信可达3至6层。最高传输速度32字节/次，发送/接收缓冲区的大小可通过程序自行设置[7]。有多个频道，可实现多点通讯、跳频通讯甚至组网通讯。数据传输可靠稳定，开发简单。芯片内集成各种功能模块。前置ShockBurst功能自动处理以及CRC校验。SPI接口可以通过配置SPI接口实现，也可通过模拟I/O口来实现。SPI时钟高达10M。超低功耗，待机模式时，工作电流仅2.5uA更能实现低功耗运作[8]。其引脚分布如图5所示。

3 软件设计

基于NRF905的家庭智能照明控制系统的软件设计主要完成模式初始化、选择不同模式电路的工作状态，其中包括无线信号的传输与接收，红外人体检测传感器电路输出的人体检测信号接收、环境亮度检测信号的采集。

3.1 主程序流程图

手动工作模式下，手动调节上位机的电位器，上位机通过STCIAP15W4K61S4读取电位器电压值，然后通过NRF905无线数据传送模块直接发送给下位机的NRF905，下位机再通过STCIAP15W4K61S4将接收到的电压值转换成PMW输出,从而手动控制照明设备亮度。自动工作模式下，STCIAP15W4K61S4单片机直接读取光敏电阻或D-SUN PIR 人体红外感应模块感应出的电压值，从而自动控制照明设备的开、关或亮度。

图6 系统主程序流程图

图7 无线模块发送流程图

3.2 无线模块发送端软件设计

发送端程序流程如图7所示。先将系统设置在手动工作模式下，初始化无线射频模块，再配置无线射频模块的寄存器，然后读取电位器的电压值转换成相应的数字信号，设计模块进入发送模式，NRF905进行编码并发射数据包，最后进入延时等待。

3.3 无线模块接收软件设计

在手动模式下接收端程序流程图如图8所示。先初始化和配置无线射频模块，然后接收来自发送端的数据并译码，产生PWM控制信号，从而调节LED的亮度。

3.4 自动模式下软件设计

自动模式下接收端程序流程图如图9所示。首先进行芯片初始化，然后进行红外人体检测，如果没有人，就不需要打开照明设备；如果有人，则再判断环境亮度，如果光照低于设定值，就打开照明设备，并随着光照的强度自动调节灯光的亮度，如果高于设定值，也就是这是周围的亮光已经满足照明，不需要打开照明设备。

图8 无线模块接收流程图

图9 自动模式下流程图

4 结语

本文介绍了基于NRF905的家庭智能照明控制系统的硬件与软件的设计方案，系统分上位机与下位机。在手动模式下，通过手动调节上位机的电位器手动控制下位机的照明系统亮度；在自动模式下，通过人体红外传感器对人体信号的检测，自动控制照明系统开关，通过光敏电阻检测光照亮度，自动调节照明亮度。最终实现对照明设备的智能控制。该系统不仅能为人们的生活带来便捷，还为倡导节约减能的理念，提供了新的思路与解决方案。

[1] 章洁，秦会斌，等.基于ZigBee的室内智能照明系统设计[J].物联网技术,2013(9)：22-24.

[2] 赵玉安.人体热释电红外传感器介绍[J].中国电子制作,2006，9(1)：35-40.

[3] 贾正松.基于单片机实现智能照明控制系统的设计[J].现代电子技术,2009,32(17)：105-107.

[4] 胡国琦.基于MC9S12XS128的花卉追光系统设计[J].科技创新导报,2011(11)：18.

[5] 韩东霖，安强，等.智能LED照明控制系统的设计[J].信息技术，2012(1)：167-168.

[6] 王娟.室内环境下LED智能照明系统的研究[D].兰州：兰州理工大学，2013.

[7] 朱芳，章坚武，等.一种基于nRF905的无线数据采集系统设计[J].杭州电子科技大学学报,2007,27(1)：29-32.

[8] 洪维.基于nRF905的通用无线通信模块的设计[J].中国新技术新产品,2008(16)：17.

责任编辑：程艳艳

Design of Residential Lighting Control System Based on NRF905

CHEN Guotong1， QIU Xingyang2

(1. Department of Physics and Electrical Engineering， Ningde Normal University， Ningde 352100， China;2. Department of Automation Engineering， Meizhouwan Vocational Technology College， Putian 351254, China)

The design of this system is based on NRF905 wireless module. In manual mode, the signal transmission of the wireless module is used to control the brightness of the lighting system. In automatic mode, the detection and judgment of human body signal and environmental brightness are made to realize the intelligent control on the lighting system. This system with its high using value has functions of energy-saving, efficiency and environmental protection.

intelligent lighting； automatic control； NRF905； STCIAP15W4K61S4

2016-08-26

宁德师范学院科研项目(2014Q55)

陈国童(1979-),男,福建屏南人，硕士，副教授，主要从事无线电传输、电源技术应用方面研究。

TM923

A

1009-3907(2016)12-0021-04